植入式医学装置的电容耦合型人体通信建模与仿真研究

The implantable communication of Active Medical Implants (AMI) plays an important role in the telemedicine technology. Aiming at the high attenuation of conventional wireless communication in human tissue, a capacitive coupling intra-body communication method used for AMI is proposed in this proposal. In order to reveal the rules of signal transmission and coupling in the implantable capacitive coupling intra-body communication and thereby clarify its mechanism, the modeling and simulation of the proposed method are investigated by using finite-element method, transfer function method as well as physical experiments. Meanwhile, the parameter model of the proposed method is deduced and the parameter relationships of the developed model are discussed. Finally, the above works will lay a foundation for a novel implantable communication method with the characteristics of low power consumption, microminiaturization, safe and convenient, and promote the application of AMI in telemedicine field.

植入式医学装置的通信问题是远程医疗技术的关键性问题。本项目针对常规无线通信在人体组织内的信号衰减大、安全性低等问题，提出一种植入式电容耦合型人体通信方法。拟采用有限元、传递函数与物理实验相结合的方法开展植入式电容耦合型人体通信的建模与仿真研究，揭示其信号传输与耦合规律，阐明其工作机理。建立植入式电容耦合型人体通信的参数模型，获得其影响参数之间的数学关系。最终，为形成一种低功耗、微型化、安全、便捷的植入式通信方法，促进植入式医学装置在未来远程医疗领域的应用奠定理论及方法基础。

本项目主要针对目前植入式无线通信所存在的功耗高、安全性低等问题，开展植入式医学装置的电容耦合型人体通信建模与仿真研究，旨在为形成低功耗、微型化、安全、便捷的植入式通信方法，促进AMI在远程医疗领域的应用奠定理论及方法基础。.项目组采用有限元法、传递函数法与物理实验相结合的方法，阐明了植入式电容耦合型人体通信的工作机理，建立了相关参数模型，获得了影响参数之间的数学关系，为植入式电容耦合型人体通信系统设计提供了重要依据，圆满完成了相关内容的研究。所取得的主要研究进展包括：.（1）通过植入式电容耦合人体通信的有限元建模及机理研究，建立了植入式电容耦合人体通信的有限元模型，阐明了植入式电容耦合型人体通信的工作机理，明确了植入式电容耦合型人体通信的幅频特性、电势分布以及电极参数对信道特性的影响。.（2）通过植入式电容耦合/电流耦合人体通信的机理比较研究，首次获得了同等条件下植入式电流/电容耦合型人体通信信道的幅频特性、输入阻抗和电流密度等参数，明确了植入式条件下不同耦合方式的信道特性差异。.（3）通过植入式电容耦合人体通信的电路建模及参数模型研究，建立了植入式电容耦合型人体通信电路模型、数学模型及参数模型；提出了植入电容耦合型人体通信的电路模型修正方法，明确了电极与人体组织之间的接触阻抗计算方法，完成了植入电容耦合型人体通信的传递函数优化及实验验证。.（4）通过植入式电容耦合型人体通信的参数关系研究，提出一种基于复合衰落信道的人体通信系统仿真方法，首次获得了植入式人体通信系统接收信号星座图、循环前缀长度参数和误码率-信噪比关系等；建立了人体通信系统模型，实现了人体通信系统的全过程、多参数仿真。. 本项目所取得的成果有望使人体通信技术的应用领域延伸至人体内部，形成植入式诊疗网络，进而促进有源植入式医疗器件在远程医疗领域的广泛应用，在心血管医学、植入式内窥镜、人联网等相关领域具有重要的应用前景。